Лабораторная робототехника — это применение роботов в биологических , химических или инженерных лабораториях. Например, фармацевтические компании используют роботов для перемещения биологических или химических образцов для синтеза новых химических веществ или для проверки фармацевтической ценности существующих химических веществ. [1] [2] Продвинутая лабораторная робототехника может использоваться для полной автоматизации процесса науки, как в проекте Robot Scientist . [3]
Лабораторные процессы подходят для роботизированной автоматизации, поскольку они состоят из повторяющихся движений (например, захват/размещение, добавление жидких/твердых веществ, нагревание/охлаждение, смешивание, встряхивание и тестирование). Многие лабораторные роботы обычно называются автосэмплерами , поскольку их основная задача — обеспечивать непрерывный отбор проб для аналитических устройств.
Первые компактные роботизированные руки, управляемые компьютером, появились в начале 1980-х годов и с тех пор постоянно используются в лабораториях. [4] Эти роботы могут быть запрограммированы на выполнение множества различных задач, включая подготовку и обработку образцов.
Однако в начале 1980-х годов группа под руководством Масахидэ Сасаки из Медицинской школы Коти представила первую полностью автоматизированную лабораторию, в которой использовалось несколько роботизированных рук, работающих вместе с конвейерными лентами и автоматическими анализаторами. [4] [5] Успех пионерских усилий Сасаки побудил другие группы по всему миру перенять подход полной автоматизации лаборатории (TLA).
Несмотря на несомненный успех TLA, его многомиллионная стоимость не позволила большинству лабораторий принять его. [6] Кроме того, отсутствие связи между различными устройствами замедлило разработку решений по автоматизации для различных приложений, одновременно способствуя сохранению высоких затрат. Поэтому отрасль несколько раз пыталась разработать стандарты, которым будут следовать различные поставщики, чтобы обеспечить связь между своими устройствами. [6] [7] Однако успех этого подхода был лишь частичным, поскольку в настоящее время многие лаборатории до сих пор не используют роботов для многих задач из-за их высокой стоимости.
Недавно стало доступно другое решение проблемы, позволяющее использовать недорогие устройства, включая оборудование с открытым исходным кодом , [8] для выполнения множества различных задач в лаборатории. Это решение заключается в использовании скриптовых языков, которые могут управлять щелчками мыши и вводом с клавиатуры, например AutoIt . [9] Таким образом, можно интегрировать любое устройство любого производителя, если оно управляется компьютером, что часто и происходит.
Еще одним важным достижением в робототехнике, которое может иметь важные потенциальные последствия для лабораторий, является появление роботов, не требующих специальной подготовки для их программирования, таких как робот Бакстер .
Высокая стоимость многих лабораторных роботов препятствует их внедрению. Однако в настоящее время существует множество роботизированных устройств, которые имеют очень низкую стоимость, и их можно использовать для выполнения некоторых работ в лаборатории. Например, недорогая роботизированная рука использовалась для выполнения нескольких различных видов анализа воды без потери производительности по сравнению с гораздо более дорогими автосэмплерами. [10] В качестве альтернативы автосэмплер устройства может использоваться с другим устройством, [9] таким образом избегая необходимости покупки другого автосэмплера или найма техника для выполнения работы. Ключевыми аспектами достижения низкой стоимости в лабораторной робототехнике являются 1) использование недорогих роботов, которые становятся все более распространенными, и 2) использование сценариев, которые обеспечивают совместимость между роботами и другим аналитическим оборудованием. [11]
В июле 2020 года ученые сообщили о разработке мобильного робота-химика и продемонстрировали, что он может помочь в экспериментальных исследованиях. По словам ученых, их стратегия заключалась в автоматизации исследователя, а не инструментов, что освобождало время для людей-исследователей для творческого мышления, и позволяло идентифицировать фотокаталитические смеси для производства водорода из воды, которые были в шесть раз активнее исходных формул. Модульный робот может управлять лабораторными приборами, работать практически круглосуточно и автономно принимать решения о своих следующих действиях в зависимости от результатов эксперимента. [12] [13]
Продолжается разработка «дистанционно управляемых лабораторий», которые автоматически выполняют множество экспериментов в области естественных наук в день и которыми можно управлять, в том числе в сотрудничестве, на расстоянии. [14]
Одной из основных областей применения автоматизированного синтеза является определение структуры в фармацевтических исследованиях . Такие процессы, как ЯМР и ВЭЖХ - МС, теперь могут включать подготовку образцов, выполняемую роботизированной рукой. [15] Кроме того, структурный анализ белка может быть выполнен автоматически с использованием комбинации ЯМР и рентгеновской кристаллографии . Кристаллизация часто требует сотен или тысяч экспериментов для создания кристалла белка, пригодного для рентгеновской кристаллографии. [16] Автоматизированная микропипеточная машина может позволить создавать почти миллион различных кристаллов одновременно и анализировать их с помощью рентгеновской кристаллографии.
Например, существуют роботы, которые используются для анализа мазков пациентов для диагностики COVID-19 . [19] [20] [21] Автоматизированные роботизированные системы обработки жидкостей были или создаются для анализов с латеральным потоком . Это минимизирует время ручного труда, максимизирует размер эксперимента и обеспечивает улучшенную воспроизводимость. [22]
Биологические и химические образцы, в жидком или твердом состоянии, хранятся во флаконах, пластинах или пробирках. Часто их необходимо замораживать и/или запечатывать, чтобы избежать загрязнения или сохранить их биологические и/или химические свойства. В частности, отрасль естественных наук стандартизировала формат пластины, известный как микротитровальная пластина [23] , для хранения таких образцов.
Стандарт микротитровального планшета был формализован Обществом биомолекулярного скрининга в 1996 году. [24] Обычно он имеет 96, 384 или даже 1536 лунок для образцов, расположенных в прямоугольной матрице 2:3. Стандарт регулирует размеры лунок (например, диаметр, расстояние и глубину), а также свойства планшета (например, размеры и жесткость).
Ряд компаний разработали роботов специально для работы с микропланшетами SBS. Такие роботы могут быть обработчиками жидкостей, которые аспирируют или распределяют жидкие образцы из этих планшетов и на них, или «перемещателями пластин», которые транспортируют их между инструментами.
Другие компании продвинули интеграцию еще дальше: в дополнение к интерфейсу с определенными расходными материалами, используемыми в биологии, некоторые роботы (Andrew [25] Эндрю Альянса, см. рисунок) были разработаны с возможностью интерфейса с объемными пипетками, используемыми биологами и техническим персоналом. По сути, вся ручная деятельность по работе с жидкостями может выполняться автоматически, позволяя людям тратить свое время на более концептуальные действия.
Компании-производители инструментов разработали планшетные ридеры , которые могут обнаруживать определенные биологические, химические или физические события в образцах, хранящихся в этих планшетах. Эти ридеры обычно используют оптические и/или компьютерные методы зрения для оценки содержимого лунок микротитровальных планшетов.
Одним из первых применений робототехники в биологии был синтез пептидов и олигонуклеотидов . Одним из ранних примеров является полимеразная цепная реакция (ПЦР), которая способна амплифицировать цепи ДНК с помощью термоциклера для микроуправления синтезом ДНК путем регулировки температуры с помощью заранее созданной компьютерной программы. С тех пор автоматизированный синтез был применен в органической химии и расширен до трех категорий: системы с реакционными блоками , системы с роботизированной рукой и нероботизированные жидкостные системы . [26] Основной целью любого автоматизированного рабочего места является высокопроизводительные процессы и снижение затрат. [27] Это позволяет синтетической лаборатории работать с меньшим количеством людей, работающих более эффективно.
Робототехника имеет приложения в комбинаторной химии , которая оказывает большое влияние на фармацевтическую промышленность. Использование робототехники позволило использовать гораздо меньшие количества реагентов и массовое расширение химических библиотек. Метод «параллельного синтеза» может быть улучшен с помощью автоматизации. Главным недостатком «параллельного синтеза» является количество времени, необходимое для разработки библиотеки; автоматизация обычно применяется для повышения эффективности этого процесса.
Основные типы автоматизации классифицируются по типу твердофазных субстратов, методам добавления и удаления реагентов и конструкции реакционных камер. Полимерные смолы могут использоваться в качестве субстрата для твердофазного синтеза. [28] Это не настоящий комбинаторный метод в том смысле, что «разделение-смешивание» , когда пептидное соединение разделяется на разные группы и реагирует с разными соединениями. Затем это смешивается вместе, разделяется на большее количество групп, и каждая группа реагирует с другим соединением. Вместо этого метод «параллельного синтеза» не смешивает, а реагирует с разными группами одного и того же пептида с разными соединениями и позволяет идентифицировать индивидуальное соединение на каждой твердой подложке. Популярным реализованным методом является система блоков реакции из-за ее относительно низкой стоимости и более высокого выхода новых соединений по сравнению с другими методами «параллельного синтеза». Параллельный синтез был разработан Марио Гейзеном и его коллегами и не является настоящим типом комбинаторного синтеза, но может быть включен в комбинаторный синтез. [29] Эта группа синтезировала 96 пептидов на пластиковых штифтах, покрытых твердой подложкой для твердофазного синтеза пептидов. Этот метод использует прямоугольный блок, перемещаемый роботом, так что реагенты можно пипетировать с помощью роботизированной системы пипетирования. Этот блок разделен на лунки, в которых происходят отдельные реакции. Эти соединения позже отщепляются от твердой фазы лунки для дальнейшего анализа. Другой метод - это закрытая реакторная система, которая использует полностью закрытый реакционный сосуд с серией фиксированных соединений для дозирования. Хотя они производят меньшее количество соединений, чем другие методы, их главным преимуществом является контроль над реагентами и условиями реакции. Ранние закрытые реакционные системы были разработаны для синтеза пептидов, который требовал изменений температуры и разнообразного набора реагентов. Некоторые роботы с закрытой реакторной системой имеют температурный диапазон 200 °C и более 150 реагентов.
Имитационная дистилляция, тип метода газовой хроматографии , используемого в нефти, может быть автоматизирована с помощью робототехники. Более старый метод, использующий систему под названием ORCA (Optimized Robot for Chemical Analysis), использовался для анализа образцов нефти методом имитационной дистилляции (SIMDIS). ORCA позволяет сократить время анализа и снизить максимальную температуру, необходимую для элюирования соединений. [30] Одним из основных преимуществ автоматизации очистки является масштаб, в котором может быть выполнено разделение. [31] Используя микропроцессоры, ионообменное разделение может быть проведено в масштабе нанолитров за короткий промежуток времени.
Робототехника была внедрена в жидкостно-жидкостную экстракцию (ЖЖЭ) для оптимизации процесса подготовки биологических образцов с использованием 96-луночных планшетов. [32] Это альтернативный метод твердофазной экстракции и осаждения белков, преимущество которого в том, что он более воспроизводим, а роботизированная помощь сделала ЖЖЭ сопоставимой по скорости с твердофазной экстракцией. Робототехника, используемая для ЖЖЭ, может выполнять полную экстракцию с количествами в масштабе микролитров и выполнять экстракцию всего за десять минут.
Одним из преимуществ автоматизации является более быстрая обработка, но она не обязательно быстрее, чем у оператора-человека. Повторяемость и воспроизводимость улучшаются, поскольку автоматизированные системы менее склонны иметь отклонения в количестве реагентов и менее склонны иметь отклонения в условиях реакции. Обычно производительность увеличивается, поскольку человеческие ограничения, такие как ограничения по времени, больше не являются фактором. Эффективность, как правило, повышается, поскольку роботы могут работать непрерывно и сокращать количество реагентов, используемых для выполнения реакции. Также происходит сокращение отходов материалов. Автоматизация также может создать более безопасную рабочую среду, поскольку не нужно обрабатывать опасные соединения. Кроме того, автоматизация позволяет персоналу сосредоточиться на других задачах, которые не являются повторяющимися.
Обычно стоимость одного синтеза или оценки образца высока для настройки и начальные затраты на автоматизацию могут быть высокими (но см. выше «Недорогая лабораторная робототехника»). Многие методы еще не разработаны для автоматизации. Кроме того, существуют трудности с автоматизацией случаев, когда требуется визуальный анализ, распознавание или сравнение, например, изменение цвета. Это также приводит к тому, что анализ ограничивается доступными сенсорными входами. Одним из потенциальных недостатков является увеличение нехватки рабочих мест, поскольку автоматизация может заменить сотрудников, которые выполняют задачи, легко воспроизводимые роботом. Некоторые системы требуют использования языков программирования, таких как C++ или Visual Basic, для выполнения более сложных задач. [33]
Этот b-roll показывает лабораторную работу, связанную с серологическим тестированием. Этот лабораторный робот выполняет все этапы теста на антитела к SARS-CoV-2 от загрузки образца до обнаружения антител в одном рабочем процессе и может тестировать более 3600 образцов в день. Ученый общественного здравоохранения может тестировать около 400 образцов в день вручную. Использование автоматизированных лабораторных роботов улучшит возможности тестирования антител, что приведет к получению большего количества данных для помощи в мониторинге и реагировании на пандемию COVID-19.